排气系统和氮氧化物解吸的控制方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年9月20日提交的韩国专利申请no.10-2016-0120285的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。

本发明涉及氮氧化物解吸(desorption，脱附)的排气系统和控制方法。更具体而言，本发明涉及这样一种氮氧化物解吸的排气系统和控制方法，其包括同时具有选择性催化还原和氮氧化物存储催化剂的功能的柴油颗粒物过滤器。

背景技术：

通常，为了减少作为排气中包含的污染物质的一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)、颗粒物(pm)、氮氧化物(nox)等，发动机的排气系统包括排气后处理装置，诸如柴油氧化催化剂(doc)装置、柴油颗粒物过滤器(dpf)、选择性催化还原(scr)装置和氮氧化物存储催化剂(稀燃氮氧化物捕集器(leannoxtrap)，lnt催化)装置等。

与scr(选择性催化还原)催化剂相比，lnt(稀燃氮氧化物捕集)催化剂简单且便宜，但在高温和高负荷下氮氧化物净化效率非常低。因此，lnt催化剂应用于氮氧化物净化负荷低且排气温度低的小型车辆。需要大净化性能的lnt催化剂，以使lnt催化剂在没有scr催化剂的情况下响应实际行驶排放(实际道路排放，realdrivingemission)(rde)排气调节。

具体而言，在rde高速和高负荷行驶区段中催化剂温度升高到高于400度，以定位氮氧化物存储的温度，并且多种氮氧化物以高rpm突然流入具有高流速排气的催化剂中，这样lnt催化剂不能足够储存氮氧化物。

同时，dpf过滤并燃烧颗粒物(pm)，并且dpf在排气流中具有多个通道并且在通道的入口或出口处具有至少一个封闭部分，或者这些通道交替布置。

近来，通过在dpf上涂覆催化剂来消除颗粒物的功能得到增强或者额外地消除了排气。可通过在dpf上增加催化剂的涂覆量的或增加通道数来提高净化功能，但是背压增加，降低了颗粒物过滤效率、车辆性能和燃料效率。

在本发明背景部分中公开的信息仅用于增强对本发明的一般背景的理解，并且不应被视为承认或任何形式地暗示该信息形成本领域的技术人员已知的先有技术。

技术实现要素：

本发明的各种方面涉及通过增强催化剂功能而不降低颗粒物过滤效率来提供改善排气净化性能的dpf，特别是提供这样的dpf结构，该结构同时具有scr催化剂和lnt催化剂的功能，用于在高速和高负载区段提高氮氧化物净化速率。

根据本发明的示例性实施例的排气系统包括：第一净化装置，设置于柴油发动机的排气歧管的后端部处并且包括稀燃氮氧化物捕集器(lnt)；第二净化装置，设置于第一净化装置的后端部处并且包括柴油颗粒过滤器(dpf)；以及第三净化装置，设置于第二净化装置的后端部处并且包括选择性催化还原(scr)装置，其中，第二净化装置的dpf包括至少一个流体流进的流入通道；至少一个流体流出的流出通道；至少一个壁，设置于流入通道和流出通道之间并沿纵向方向延伸；以及支撑件，设置于流入通道和流出通道中至少其中一个的内部，并且至少一种催化剂涂覆在流入通道的内壁、流出通道的内壁和支撑件中其中一个上。

在流入通道的内壁、流出通道的内壁和支撑件中的该其中一个上，可涂覆柴油氧化催化剂(doc)、lnt催化剂和scr催化剂中至少其中一种。

scr催化剂可涂覆在流入通道的内壁上，并且lnt催化剂可涂覆在流出通道的内壁上。

第二净化装置的scr催化剂可以是离子取代沸石催化剂，特别是cu-cha催化剂。

可将scr催化剂涂覆在支撑件上。

lnt催化剂中的铂(pt)的量可以是第一净化装置的lnt催化剂中的铂(pt)的量的1.1至1.5倍。

第二净化装置的dpf具有等于或大于55％的孔隙率。

第二净化装置的dpf的lnt催化剂和scr催化剂的涂覆量为100g/l至200g/l。

第一净化装置的出口与第二净化装置的入口之间的距离为550mm至600mm。

根据本发明的示例性实施例的排气系统可进一步包括：第一λ传感器，设置于排气歧管的后端部和第一净化装置之间；第二λ传感器，设置于第一净化装置和第二净化装置之间；和第三λ传感器，设置于第二净化装置的后端部处。

根据本发明的示例性实施例的排气系统可进一步包括控制器，使第一λ传感器、第二λ传感器和第三λ传感器同步，并控制lnt催化剂的再生。

同时，根据本发明的另一个示例性实施例的排气系统包括：第一净化装置，设置于柴油发动机的排气歧管的后端部处并且包括第一lnt催化剂；第二净化装置，设置于第一净化装置的后端部处并且包括第二scr催化剂和设置于第二scr催化剂后端部处的第二lnt催化剂；和第三净化装置，设置于第二净化装置的后端部处并且包括第一scr催化剂。

同时，根据本发明的示例性实施例的氮氧化物解吸的控制方法包括：在氮氧化物解吸结束后测量第一净化装置的氮氧化物负载值；测量第一净化装置的氮氧化物滑移值；测量第一净化装置和第二净化装置的温度；测量第二净化装置的氮氧化物负载值；将第一净化装置的氮氧化物负载值与阈值负载值进行比较；在第一净化装置的氮氧化物负载值大于阈值负载值的情况下，将第一净化装置的温度与阈值温度进行比较；在第一净化装置的温度大于阈值温度的情况下，将第二净化装置的温度与阈值温度进行比较；以及在第二净化装置的温度大于阈值温度的情况下，同时从第一净化装置和第二净化装置解吸氮氧化物。

根据本发明的示例性实施例的氮氧化物解吸的控制方法可进一步包括在第二净化装置的温度不大于阈值温度的情况下，仅从第一净化装置解吸氮氧化物。

根据本发明的示例性实施例的氮氧化物解吸的控制方法可进一步包括在第一净化装置的温度不大于阈值温度的情况下，将第二净化装置的温度与阈值温度进行比较；以及在第二净化装置的温度大于阈值温度的情况下，仅从第二净化装置解吸氮氧化物。

根据本发明的示例性实施例的氮氧化物解吸的控制方法可进一步包括在第二净化装置的温度不大于阈值温度的情况下，保留(holdoff，拖延，抑制)第一净化装置和第二净化装置的氮氧化物的解吸作用。

根据本发明的示例性实施例，通过具有常规壁且带有额外支撑件的dpf结构，可增加催化剂接触时间，以便增加催化剂响应时间并增加过滤器载体上的催化剂涂覆量，这样可提高排气净化性能。

此外，排气不会穿过支撑件，因此不存在背压增加，并且可优化附加支撑件的长度以防止dpf再生期间的催化剂降解。

此外，通过同时具有scr催化剂和lnt催化剂功能的dpf结构的结构或通过顺序布置有scr催化剂和lnt催化剂的结构，在前端lnt催化剂和后端部lnt催化剂之间消失的氨可在scr催化剂中利用。

本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点从结合于此的附图以及下面的详细描述中将是显而易见的或被更加详细地阐述，这些附图和下面的详细描述一起用于解释本发明的某些原理。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的排气系统的示意图。

图2是示出颗粒物过滤器的横截面图。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的用于柴油机颗粒过滤器的过滤器的部分流入通道和流出通道的正视图。

图4是根据本发明的另一个示例性实施例的排气系统的示意图。

图5a和5b是示出根据本发明的示例性实施例的排气系统中的排气净化过程的流程图。

应当理解，附图不一定按比例绘制，其呈现了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的表示。本文公开的本发明的具体设计特征(包括例如特定尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体的预期应用和使用环境来确定。

在附图中，贯穿附图中的多个图示，相同参考标号指本发明的相同或等同的部分。

具体实施方式

现将详细参照本发明的各个实施例，其实例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施例来描述本发明，将理解的是，本描述不旨在将本发明限制于那些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、修改、等同物和其他实施例。

进一步地，在示例性实施例中，由于相似的参考标号指代具有相同配置的相似元件，代表性地描述了各个示例性实施例，并且在其他示例性实施例中，将仅描述与各个示例性实施例不同的配置。

附图是示意性的，并且未根据比例示出。为了清楚和方便起见，附图中的部分的相对尺寸和比例被示出为在尺寸上放大或缩小，并且这些尺寸仅仅是示例性的而不是限制性的。另外，两个或更多个附图中所示的相似的结构、元件或组件使用相似的参考标号来表示相似的特征。将理解的是，当包括层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。

本发明的示例性实施例详细地示出了本发明的一示例性实施例。因此，可预期附图的各种修改。因此，示例性实施例不限于所示区域的具体方面，并且例如包括通过制造对某方面的修改。

现在，将参照图1到图3描述根据本发明的示例性实施例的排气系统。

图1是根据本发明的示例性实施例的排气系统的示意图。排气系统仅示出了描述本发明的示例性实施例所需的示意性配置，因此其不限于这样的配置。

参照图1，根据本发明的示例性实施例的排气系统包括第一净化装置15、第二净化装置20和第三净化装置30。

第一净化装置15设置于发动机10的排气歧管的后端部，排气g在该排气歧管中流动，第一净化装置包括稀燃氮氧化物捕集器(lnt)18。这里，发动机10包括柴油车辆的柴油发动机，作为供应稀燃燃烧的内燃机。发动机10可根据控制器50的控制通过燃烧恒定混合比的燃料与空气来产生动力。

此外，第二净化装置20设置于第一净化装置15的后端部，并且包括柴油颗粒过滤器(dpf)21。

此外，第三净化装置30设置于第二净化装置20的后端部，并且包括选择性催化还原剂(scr)32。这里，scr催化剂32可包括scr催化类型的被动scr(pscr)，其使用从lnt催化剂18排出的氨(nh3)而没有尿素注入。

同时，根据本发明的示例性实施例的排气系统可进一步包括第一λ传感器42、第二λ传感器44和第三λ传感器46。此外，排气系统可进一步包括控制器50，使得第一λ传感器42、第二λ传感器44和第三λ传感器46同步并且控制lnt催化剂18的再生。

第一λ传感器42可置于排气歧管的后端部和第一净化装置15之间，第二λ传感器44可置于第一净化装置15和第二净化装置20之间，第三λ传感器46可置于第二净化装置20的后端部处。

第一λ传感器42到第三λ传感器46接合到lnt催化剂18的前端和dpf21的前端/后端部，以提供发动机10是以稀燃情况还是富燃情况操作的信息。

控制器50检测包括吸入的空气量、发动机速度、车辆速度和换挡速度等的驱动信息，以控制在标准驱动情况下的发动机驱动。此外，控制器50使第一λ传感器42到第三λ传感器46同步，并控制lnt催化剂18的再生。

同时，第一净化装置15的出口与第二净化装置20的入口之间的距离为550mm至600mm。这是为了获得dpf21的温度。

此外，涂覆在第二净化装置20的dpf21上的lnt催化剂中的铂(pt)的量可以是第一净化装置15的lnt催化剂中的铂(pt)的量的1.1至1.5倍，并且第二净化装置20的dpf21可具有等于或大于55％的孔隙率。另外，第二净化装置20的dpf21的lnt催化剂和scr催化剂的涂覆量可以为100g/l至200g/l。

图2是示出颗粒物过滤器的过滤器的横截面图，图3是示出根据本发明的示例性实施例的用于柴油机颗粒过滤器的过滤器的部分流入通道和流出通道的正视图。

参照图2和图3，第二净化装置20的dpf21在壳体中包括至少一个流入通道20a和至少一个流出通道。多个流入通道20a和流出通道20b以壁40分开。而且，支撑件40a和40b可置于至少一个流动通道20a和至少一个流出通道20b中。

参照图2和图3，形成在dpf21的一个端部的流出通道20b沿着排气流延伸，并且可设置为与流入通道20a平行。至少一个流入通道20a位于流出通道20b周围。流出通道20b的前端被塞子14阻塞，这样排气可不会通过流出通道20b流入颗粒物过滤器。流出通道20b的后端部打开，这样dpf21中的排气通过流出通道20b从dpf21流出。

壁40设置于流入通道20a和流出通道20b之间以界定边界。壁40可以是多孔壁，其中形成有至少一个微孔。多孔壁40流体动力地连接相邻的流入通道20a和流出通道20b。因此，通过流入通道20a流入的排气可通过多孔壁40移动到流出通道20b。此外，多孔壁40不通过包含在排气中的颗粒物。当排气从流入通道20a通过多孔壁40移动到流出通道20b时，包含在排气中的颗粒物被多孔壁40沥滤。多孔壁40可包括钛酸铝，堇青石和碳化硅等。

支撑件40a和40b可设置于流入通道20a和流出通道20b中的至少其中一个中。支撑件40a和40b可仅设置于流动通道20a处或仅设置于流出通道20b处。图2和图3示出了支撑件40a和40b平行于流入通道20a和流出通道20b延伸的方向延伸，但是不限于所公开的示例性实施例。

换句话说，支撑件40a和40b可相对于流入通道20a和流出通道20b延伸的方向竖直或倾斜地延伸。在支撑件40a和40b相对于流入通道20a和流出通道20b延伸的方向竖直或倾斜地延伸的情况下，支撑件40a和40b的两个端部中的至少一个可不接触多孔壁40。

同时，支撑件40a和40b不安装为起过滤器的作用，而是保持催化剂，因此它们不必由多孔材料制成。换句话说，支撑件40a和40b可包括与多孔壁相同的材料或与多孔壁不同的材料。虽然支撑件40a和40b包括多孔材料，但是由支撑件40a和40b分开的通道20a或20b之间几乎不存在压力差，因此排气几乎不通过支撑件40a和40b，而是沿着支撑件40a和40b以及壁40移动。此外，支撑件40a和40b不需要起过滤器的作用，因此支撑件40a和40b不需要较厚地形成。换句话说，支撑件40a和40b的厚度可以形成为比壁40薄，并且这使背压增加最小化。

在流入通道的内壁、流出通道的内壁和支撑件的其中一个上可涂覆柴油氧化催化剂(doc)、lnt催化剂和scr催化剂中的其中一种。当支撑件40a和40b包括多孔材料时，催化剂60、70和80涂覆在支撑件40的表面和支撑件40a和40b内部的微孔上。与此不同，当支撑件40a和40b包括无孔材料时，催化剂60、70和80涂覆在支撑件40a和40b的表面上。

进一步地，支撑件40a和40b可分为设置于流入通道20a内部的第一支撑件40a和置于流出通道20b内部的第二支撑件40b。

同时，scr催化剂可涂覆在流入通道20a的内壁上，并且lnt催化剂可涂覆在流出通道20b的内壁上。第二净化装置的scr催化剂可以是离子取代沸石催化剂，特别是cu-cha催化剂，并且scr催化剂可涂覆在支撑件上。

图4是根据本发明的另一个示例性实施例的排气系统的示意图。

参照图4，排气系统包括第一净化装置15，设置于柴油发动机的排气歧管的后端部处并且包括第一lnt催化剂18；第二净化装置20，设置于第一净化装置15的后端部处并且包括第二scr催化剂22和设置于第二scr催化剂22后端部处的第二lnt催化剂24；以及第三净化装置30，设置于第二净化装置20的后端部处并且包括第一scr催化剂32。

第二净化装置20可包括第二scr催化剂22和设置于第二scr催化剂22后端部处的第二lnt催化剂24。通过富燃状态的持续，在氮氧化物还原期间，大量的氨存在于第一lnt催化剂18和第二lnt催化剂24之间，但是在通过第二lnt催化剂24期间，约高于30％的氨被氧化和消除。所消除的氨可通过使第二scr催化剂22设在第二lnt催化剂24的前端处而被利用。这时，第二净化装置20的第二scr催化剂22可以是离子取代沸石催化剂，特别是cu-cha催化剂。

此外，第三净化装置30设置于第二净化装置20的后端部处并且包括第一scr催化剂32。这里，第一scr催化剂32可包括使用从lnt催化剂18和24排出的氨(nh3)的scr催化类型的被动scr(pscr)，而没有尿素注射。

根据本发明的示例性实施例的排气系统可进一步包括第一λ传感器42、第二λ传感器44和第三λ传感器46。进一步地，排气系统可进一步包括控制器50，使λ传感器42、第二λ传感器44或第三λ传感器46同步，并且控制第一lnt催化剂18或第二lnt催化剂24的再生。

第一λ传感器42可设置于排气歧管的后端部和第一净化装置15之间，第二λ传感器44可设置于第一净化装置15和第二净化装置20之间，第三λ传感器46可设置于第二净化装置20的后端部。

第一λ传感器42到第三λ传感器46接合到第一lnt催化剂18的前端和第二lnt催化剂24的前端/后端部，以提供发动机10以稀燃情况还是富油情况操作的信息。

控制器50检测包括吸入的空气量、发动机速度、车辆速度和换挡速度等的驱动信息，以控制在标准驱动情况下的发动机驱动。此外，控制器50使第一λ传感器42到第三λ传感器46同步，并且控制第一lnt催化剂18和第二lnt催化剂24的再生。这里，控制器50可控制为同时或分别再生第一lnt催化剂18和第二lnt催化剂24。

此外，控制器50测量第一lnt催化剂18的氮氧化物滑移值和第二lnt催化剂24的氮氧化物负载值，以及第二lnt催化剂24的温度及第一lnt催化剂18的温度。

此时，控制器50可通过使用第一lnt催化剂18的氮氧化物负载值、温度和排气流速等测量第一lnt催化剂18的氮氧化物滑移值。此外，控制器50可通过使用第一lnt催化剂18的氮氧化物滑移值、第二lnt催化剂24的温度和到第二lnt催化剂24的流入流速来测量第二lnt催化剂24的氧化氮负载值。

图5a和图5b是示出根据本发明的示例性实施例的排气系统中的排气净化过程的流程图。

参照图5a和图5b，根据本发明的示例性实施例的氮氧化物解吸的控制方法中，首先，在氮氧化物解吸附结束之后测量第一净化装置(第一净化单元)的氮氧化物负载值，即步骤s401。通过使用第一lnt催化剂的氮氧化物负载值、温度和排气流速等来测量第一净化装置的氮氧化物滑移值，即步骤s402。

之后，通过使用温度传感器来测量第一净化装置和第二净化装置(第二净化单元)的温度，即步骤s403。之后，测量第二净化装置的氮氧化物负载值，即步骤s404。

将第一净化装置的氮氧化物负载值与阈值负载值进行比较，即步骤s405，并且在第一净化装置的氮氧化物负载值大于阈值负载值的情况下将第一净化装置的温度与阈值温度进行比较，即步骤s406。之后，在第一净化装置的温度大于阈值温度的情况下，将第二净化装置的温度与阈值温度进行比较，即步骤s407。

在第二净化装置的温度大于阈值温度的情况下，同时从第一净化装置和第二净化装置的解吸氮氧化物，即步骤s408。

在第二净化装置的温度不大于阈值温度的情况下，仅从第一净化装置解吸氮氧化物，即步骤s409。

进一步地，在第一净化装置的温度不大于阈值温度的情况下，将第二净化装置的温度与阈值温度进行比较，即步骤s410，在第二净化装置的温度大于阈值温度的情况下，仅从第二净化装置解吸氮氧化物，即步骤s411。

同时，在第二净化装置的温度不大于阈值温度的情况下，保留(hold)第一和第二净化装置的氮氧化物的解吸作用，即步骤s412。

像这样，根据本发明的示例性实施例，通过具有常规壁还具有额外支撑件的dpf结构，可增加催化剂接触时间，以便增加催化剂响应时间并增加过滤器载体上的催化剂涂覆量，从而可提高排气净化性能。

此外，排气不会通过支撑件，因此不存在背压增加，并且可优化附加支撑件的长度以防止催化剂在dpf再生期间降解。

此外，通过同时具有scr催化剂和lnt催化剂功能的dpf结构的结构或通过顺序布置有scr催化剂和lnt催化剂的结构，在前端lnt催化剂和后端部lnt催化剂之间消失的氨可在scr催化剂中利用。

为了方便解释和在所附权利要求中准确定义，术语“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“上”、“下”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”、“前”、“后部”、“后”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“内”、“外”、“向前”和“向后”用于参照在图中显示的示例性实施例的特征的位置来描述这些特征。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的具体示例性实施例的前述描述。它们不旨在穷尽或将本发明限制到所公开的精确形式，并且显然，根据上述教义，许多修改和变化是可能的。选择和描述示例性实施例是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现和利用本发明的各种示例性实施例及其各种替换和修改。本发明的范围旨在由所附的权利要求及其等同物限定。